提高大庆老区油田调整井固井质量技术研究

杨胜刚

中国石油大庆钻探工程公司钻井二公司 （黑龙江 大庆 163413）

随着大庆油田开发进入中后期，为保证油气资源产量，对老区油田的开发力度也日益增大。然而，在经过60年的开采之后，有的产油区块井底情况已经发生改变，地下压力差异大、不同储层间的压差也很高，纵向上各层位渗透性和孔隙度差别大、地质情况复杂。钻完井施工过程中，易出现井漏、井涌、油水气侵（窜）以及二界面胶结质量不佳等复杂情况，固井质量难以保证。长此以往，不仅影响单井的油气产量、注采效果，还会产生井间或层间干扰，影响采收率和井网布置，甚至导致油气水井报废，增大投资成本、影响开发效果[1]。因此，通过合成增韧防窜剂和优选纳米材料，开发出两套水泥浆体系，再结合固井工具等技术措施，使大庆老区油田调整井固井质量得到提升，为保证油气资源的长期开发和持续稳产提供有力技术支持[1]。

1 老区油田调整井的特点

1）多套压力体系共存。老区油田开发井所处的层位多为主力油藏，由于长期的注水开发，地下原始压力平衡遭到破坏、油水界面之间会产生不规则移动，使得地层压力更加复杂。再加上长时间采油作业的进行，层间存在亏空层和憋压层共存的现象，很容易发生层间互窜。在压力亏空层，还存在着压稳和防漏的矛盾，这都导致固井质量无法得到保证。

2）地下流体处于动态环境。虽然在钻进过程可采取停注、放溢等一整套降压措施，但由于注采不平衡和层间窜流，地层流体压力始终处于流动状态，加之老区油层纵向上多而薄、间距小、封隔段长等不利因素，也会严重影响固井质量。

3）井径不规则、清洁度低。由于老区井下多套压力系统的存在和地质情况的改变，钻井过程中容易因钻井液性能不达标而发生剥落、掉块，甚至是井壁垮塌等井下复杂事故，最终导致井径扩大率相对较高，有的井段甚至出现“大肚子”井眼，井壁上的泥饼也会出现虚、厚的情况，这都将影响水泥浆的顶替效率和固井质量。同时，低渗泥页岩井段的地层压力的升高，会促使岩层蠕动，加剧套损程度，形成气窜。

4）水泥浆性能劣化。当高压层水泥浆静压低于地层孔隙压力，会对泥饼产生溶蚀和运移作用，地层流体中的阳离子会对环空水泥石产生侵蚀和损害，降低其强度，降低水泥环胶结强度和质量，形成上窜通道，严重时发生管外冒。此外，注水泥过程中顶替效率低，形成水泥浆夹带的窜槽。水泥浆凝固后，受射孔、地层蠕动、热应力等外力冲击，也会造成水泥与套管或地层胶结面质量差，影响封隔效果[2-5]。

2 提高固井质量的技术对策

2.1 增韧防窜剂水泥浆体系研究

为了提高水泥防窜性能，改善水泥石韧性，必须利用功能型固井外加剂。而目前国内外常用的外加剂主要为纤维、胶乳、膨胀剂等材料。但这些材料都存在着一定的缺陷：纤维材料无法进行干混，给现场操作带来较大困难；胶乳虽然是较好的增韧防窜外加剂，但环保要求限制了应用范围；膨胀剂对水泥的强度、耐久性和水泥石的完整性会产生不利影响。针对此难题，研发了一种油井水泥用高分子聚合物类增韧防窜剂，在提高水泥浆防窜性能的同时，改善水泥石力学性能。

2.1.1 增韧防窜剂作用机理分析

使用小分子单体在一定反应条件下合成出具有体型结构的高分子聚合物，该聚合物在水泥浆中分散开会形成网络状的空间三维结构，这种网络结构的存在，可以提高水泥浆的内聚力，降低水泥浆渗透率，防止地层水和油气侵入到水泥浆中，使水泥浆具有良好的防窜性能。但是分子量大小的控制直接决定着水泥中网状结构的大小和强弱：分子量太大会造成水泥浆的黏度和稠度过高影响施工安全；分子量太小又会使形成的水泥浆强度不够，无法改善水泥浆的防窜性能。此外，通过优选能够调节高分子聚合物聚合度和粒径的柔性单体添加到水泥浆中，会使水泥石的弹性模量降低，增加水泥石的抗冲击能力，达到改善水泥石韧性的目的。

2.1.2 增韧防窜剂的合成

在反应釜中加入一定量的去离子水，并称取一定量的反应单体，在匀速搅拌条件下，在反应釜中配成浓度为15%的溶液；加入浓度为30%的NaOH溶液调节pH值在3～4之间，通氮气除氧，升温至60～65℃；在氮气保护及持续搅拌情况下加入引发剂，反应3～4 h，冷却并烘干，可得到高分子聚合物增韧防窜剂FC-1。为了达到最好的防窜效果，其分子量控制在（100～130）×104。

2.1.3 性能评价

以增韧防窜剂FC-1为基础，配套降失水剂、缓凝剂等固井外加剂，形成增韧防窜水泥浆基浆配方：G级水泥+68%减轻剂+7.0%降失水剂+0.25%缓凝剂。在室内对增韧防窜剂FC-1在不同加量下对水泥浆失水和游离液性能、水泥浆防窜性能和水泥石抗冲击能力分别进行了评价，实验结果见表1、表2和表3。由表1可知，增韧防窜剂在水泥浆中形成的网络结构，提高了水泥浆的稳定性，使水泥浆中的游离液减少，也有利于水泥浆失水的降低。由表2可知，在常规水泥浆中添加3%FC-1之后，即可有效防止窜流的发生，并且能够显著降低水泥浆静胶凝过渡时间。由表3可知，增韧防窜剂FC-1在2%～6%的加量范围内，能显著提高水泥石的强度和韧性，但超过这个范围时，水泥石的强度和韧性则会降低。

表1 增韧防窜水泥浆游离液和失水性能

表2 增韧防窜剂水泥浆防窜试验结果

2.2 纳米基低密度水泥浆体系研究

老区油田调整井固井中常遇到低压易漏失地层问题。应用低密度水泥浆，可以降低固井液柱压力，防止漏失，能实现一次注水泥全井套管固井，减少分级固井的风险和费用，节约建井时间。目前常用的低密度水泥浆体系有很多种，但都存在着耐压能力差、强度低、稳定性差等问题，而且成本也较高。为了解决这些问题，将纳米材料引入到低密度水泥浆中，不仅在大水灰比条件下可改善水泥浆稳定性，还能提高水泥石强度[6]。

2.2.1 低密度水泥浆用纳米材料优选原则

为了研制出综合性能优良、低成本的低密度水泥浆体系，必须优选出性能达标的纳米材料。优选原则如下：

1）分散性好，在水泥浆中易分散，不会影响水泥浆的相关性能。

2）水活化性，能够提高水泥石的强度。

3）良好的悬浮稳定性，可使低密度水泥浆在较大的水灰比条件下保持良好的稳定性。

4）价格适中。

根据以上优选原则结合目前钻完井液行业的微纳米材料研究情况，从氧化硅、氧化铝、氧化铁和膨润土等众多材料中，优选出一种能够改善水泥浆稳定性、对稠化时间影响不大、还能提高水泥石强度的纳米材料DN-2作为低密度水泥浆体系的外加剂。

2.2.2 纳米材料对水泥浆性能影响评价

以优选的纳米材料DN-2为基础，配套降失水剂等水泥浆外加剂，形成了纳米基低密度水泥浆体系：G级水泥+75%减轻增强材料+2.0%纳米材料+5.0%降失水剂+93%水，对其稠化时间、失水、强度和稳定性等综合性能进行了测试，实验结果见表4。由表4可知，加入纳米材料DN-2后，水泥石的强度也在逐渐增加，也使水泥浆的稳定性显著改善。说明以纳米材料DN-2为基础研制的纳米级低密度水泥浆体系具有稠化时间可调、失水可控、耐压性能高等特点，是一种综合性能优异的新型低密度水泥浆体系。

表4 低密度水泥浆性能评价

2.3 配套工艺及技术措施

2.3.1 水泥浆充填管外封隔器固井技术

根据调整井特点，使用水泥浆充填管外封隔器完井技术，也能大幅度提高老区油田调整井固井质量。这种封隔器是由中心管、胶筒和阀箍等几个部件组成，通过下接头、上接箍连接到相邻两个套管上。阀箍是由单向阀、限压阀和打开阀串联在一起；胶筒由内胶筒、挠性保护钢片和外胶筒三层结构组成。当封隔器下到井底以后，打压坐封封隔器，当坐封压力达到一定值后，剪断打开阀的销钉，流体会进入到中心管和内胶筒之间的腔体，胶筒会在膨胀至一定压力后，通过剪断限压阀而关闭流体通道，使封隔器一直处于涨封状态。

2.3.2 提高顶替效率技术措施

提高水泥浆的顶替效率，是清除井底钻井液窜槽、提高水泥环密封效果、保证水泥质量的有效技术措施。影响顶替效率的因素有很多，井眼的规则度、套管的居中度、顶替液与钻井液性能之间的差异，这些都会影响到水泥浆的顶替效率。要想通过提高顶替效率达到提高固井质量的目的，可采取的方法有：①套管居中；②活动套管；③采用前置液紊流顶替；④延长紊流接触时间与增大紊流程度；⑤增大水泥浆与钻井液密度差；⑥调整钻井液性能。

2.3.3 提高二界面胶结质量技术措施

提高二界面胶结质量，也是提高固井质量的重要技术手段。通过以下几种技术可明显提高二界面的胶结质量：①提高钻井液的抑制防塌能力，保证井壁完整性和井眼的规则度；②根据钻井液性能和相关工程参数，配制性能优异的前置液，达到有效驱替钻井液和清除井壁泥饼的目的；③根据实际情况调整钻井液相关性能，并在井底工况许可条件下循环洗井，控制井壁钻井液残余量；④使用增韧防窜水泥浆体系和纳米级低密度水泥浆体系，提高水泥浆的稳定性和水泥石的强度等指标，进而可提高二界面的胶结质量。

2.3.4 老井侧钻井固井技术

侧钻小井眼固井时，环空内套管分布不均，甚至有的套管始终偏向井眼低边，造成固井过程中水泥不能进入到井眼环空的全部空隙，造成部分套管与井壁之间没有水泥充填，这样导致不能正常进行固井施工作业。同时，部分井在开窗进行侧钻后，比较容易发生地层出水、地层漏失等现象。要解决此类井的固井质量问题，可以采用延迟凝固套管插入技术、小井眼扩孔技术或者延迟固井技术。这些技术是固井领域中的一项特种技术，是在小间隙井眼固井扶正技术无法满足要求情况下的新技术，可有效克服或减轻套管的偏心和贴壁问题，控制水泥浆二次上返的速度，控制井筒内外压力，从而提高顶替效率，提高侧钻井套管与井壁之间水泥充填的完整度，以提高固井质量。

3 现场应用效果

研发的增韧防窜水泥浆体系在大庆老区油田调整井累计应用井数超过100口，对水泥胶结质量进行了统计：一界面、二界面平均优质率为92.60%和61.72%，同比邻井固井质量分别提高15%和25%以上；在后期均为发现水窜现象，同比邻井含水率降低5%左右，有效抑制了井底压裂后油气水窜问题，产油量也得到提高。

大庆油田萨尔图区块受地质构造、注采关系等因素的影响，不同地层间矛盾比较突出。6%左右的井压力系数小于1.6，接近40%的井压力系数在1.6～1.7之间，超过50%的井压力系数在1.7以上。而低压层集中在葡一层，层间压差在11 MPa以上，采用常规水泥浆体系固井优质率小于60%，管外冒发生率大于5%。

纳米基低密度水泥浆体系在该区块累计应用超过200口井，固井优质率大于70%，管外冒发生率为0.65%。与应用之前相比，固井优质率提高了13%，管外冒发生率降低了4.5%。

4 结论与认识

1）针对大庆老区油田地层条件复杂、多套压力系统共存的技术难题，通过合成增韧防窜剂和优选纳米材料，分别开发出防窜水泥浆和低密度水泥浆两套体系。

2）在老区油田固井作业中，通过采用两套水泥浆体系，结合固井工具等配套工艺措施，使调整井固井优质率得到大幅度提高，有效解决了大庆老区油田调整井固井质量问题，具有良好的应用前景。